外延控制

5-3-2 外延中杂质的再分布
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外延层中含有和衬底中的杂质不同类型的
杂质，或者是同一种类型的杂质，但是其 浓度不同。 通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂 浓度梯度很陡，但是由于外延生长是在高 温下进行，衬底中及其他部分的杂质会进 入外延层，使得外延层和衬底之间界面处 的杂质浓度梯度变平
二、选择硅源
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SiCl4 :沉积温度高（1150～1250℃），导致严重的自掺杂和外
扩散 优点：反应室壁上很少沉积，减少了壁上Si颗粒剥落的沾污 适用：沉积厚的可忍受自掺杂和外扩散的外延层 SiHCl3：沉积温度稍低（1100～1150 ℃）并不优于SiCl4，很 少用 SiH2Cl2：较低温度（1050～1100 ℃）减少了自掺杂和外扩 散，可以得到高质量外延层，比SiCl4和SiH4更小的缺 陷密度，增加器件的产出 SiH4： 低温（1000～1100 ℃），非常少的自掺杂和外扩散， 较陡浓度梯度的外延层，没有逆向腐蚀， 缺点：在较低温度下发生热分解，引起反应壁上的严重淀积 适合：长薄的外延层
5－4 硅外延层的缺陷
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分类：
一：表面缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥， 滑移线等 二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错
5－4－1外延片的表面缺陷
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云雾状表面
外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可 以看到。 一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛 光浓度过大，生长温度太低等引起的。 角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘， 用肉眼可以看到。
雾状表面缺陷 ①雾圈
②白雾 ③残迹 ④花雾 ①雾圈 ②白雾
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③残迹
④花雾
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角锥体
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亮点：外形为乌黑发亮的小圆点 塌边：又叫取向平面，它是外延生长后
在片子边缘部分比中间部分低形成一圈 或一部分宽1～2mm左右的斜平面。 形成原因：衬底加工时造成片边磨损 偏离衬底片晶向。
外延生长的主动（人为）掺杂
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外延用N型掺杂剂：PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3
P型掺杂剂BCL3,BBr3，B2H6 方式：在反应气体中（硅源、氢气）中加入掺杂剂 ※注意掺杂浓度计算， 固相中 掺杂剂/硅≠气相中 掺杂剂/硅 影响掺杂的因素：衬底温度、沉积的速度、掺杂剂摩 尔分数、反应室几何尺寸、衬底及系统等等 没有一个简单的准则，要针对每个过程经验地确定
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3微缺陷：杂质沾污，特别是Fe和Ni 产生：杂质沾污，Fe、Ni的影响最大 消除： 1 工艺中注意基座及系统的清洁处理 2 采用吸杂技术：利用背面的位错吸收有害 杂质，是外延层中的有害杂质和微缺陷减 少
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5-4 外延生长的工艺问题
一、外延生长设备
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立式：旋转，掺杂均匀性好 圆桶式：不易颗粒沾污、 辐射加热：均匀性好，减少应 力
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划痕：由机械损伤引
起
星形线（滑移线）：
各种表面缺陷的来源
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主要来源于沾污和硅片的预处理过程 角锥体：沙丘状突起，外来杂质上的非均匀成核；衬底
上微小的局部的晶向偏离，造成生长速度的差异 云雾状表面：氢气的纯度低，含水过多，气相抛光浓度 过大，生长温度低等 划痕：机械损伤、表面不洁 亮点：发亮的小圆点，抛光不充分，表面污染，颗粒脱 落等 塌边：边缘部分低，衬底加工时造成晶体向偏离 滑移线：平行的高低不平的线条，热应力造成
内部缺陷的产生及消除办法
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1、外延层中层错的产生机制及消除办法 衬底上微小的划痕、浅平坑、沾污都可能成为 层错的成核源 层错多发生在衬底-外延层的交界处 消除：a)选择好的衬底，清洁 b)外延前气相抛光 c)外延前热处理
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2、外延层中位错的产生机制及消除办法 产生机制： 1 原衬底位错延伸引入的 2 掺杂和异质外延时，外延层和衬底间晶格参数差异引 入内应力导致失配位错。 3 超过了屈服强度的热应力引起滑移 消除办法：1 选择无位错衬底 2 双掺杂技术：同时引入原子半径不同的两种杂质原子 3采用红外辐射加热或在硅片上方安置热反射器
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N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因 此称为外掺杂 N扩散，N衬底，N邻片的杂质来源于衬底片，通 称为自掺杂 广义上：外延生长时由衬底、基座和系统等 带来的杂质进入到外延层中的非人为控制 的掺杂称为自掺杂 外掺杂：主要指人为控制的掺杂
5-3-3外延层生长中的自掺杂
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造成自掺杂的主要原因
抑制自掺杂
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1. 采用低温外延技术和不含卤素的硅源， 2. 应用较稳定的掺杂剂：使用蒸发速度和扩散系数较小 3. 4.
的衬底和埋层掺杂剂 外延前高温加热衬底，使衬底表面附近形成一杂质耗 尽层； 采用背面封闭技术，在背面预先生长高纯的SiO2或多 晶硅封闭后再外延； 采用二段外延生长技术：覆盖—吹气—生长 减压生长技术：使已蒸发到气相中的杂质被抽走 在HCl刻蚀后采用低温吹气的工艺以保证XCl3被带出 系统
三、外延层的表征
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表面质量、厚度、晶体缺陷、电学性质 表面质量：光学显微镜、表面扫描激光缺陷计数器 厚度：现代分析天平称重（平均厚度）
红外反射测量技术 层错法（测量特征腐蚀坑边长） 晶体缺陷： 电学性质：四探针法 扩展电阻探针
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只考虑衬底中杂质扩散进入外延层时： N（x,t）=N1（x,t） ±N2（x,t）
N1为衬底中杂质在外延层中的分布
常规外延生长时，相当于一个恒定界面浓度杂 质源的余误差分布 N2为掺入杂质Nf在外延层中的分布
5-3-1 外延层中的杂质及掺杂
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1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示 为：N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统 N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度 分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量
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外延控制
5－3 硅外延层电阻率的控制
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不同器件对外延层的电参数要求是不同的，
通常VLSI要求：在重掺杂的衬底（10191021cm-3）上生长一层轻掺杂（1014-1017cm-3） 的外延层 CMOS器件要求：衬底均匀掺杂 双极型IC要求：衬底中有埋层（轻掺杂的衬底 中扩散有重掺杂的隔离区域） 这就需要在外延生长过程中，精确控制外延层 中的杂质浓度和分布来解决
造成自掺杂的其他原因
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卤化物硅源外延生长时，对衬底的腐蚀作
用造成衬底中的杂质生成相应的卤化物进 入停滞层中，一部分被还原掺入外延层中 基座，生长系统的污染 衬底杂质→基座→外延层 反应室的记忆效应
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对于埋层衬底：由于高浓度的埋层很快被轻掺
杂的材料覆盖，自掺杂效应中止 对于重掺杂衬底：正面被封住，边缘及背面的 蒸发仍可继续，但随时间减少 由于自掺杂和外扩散的存在，设置了一个外延 层的最小厚度和掺杂水平的极限，同时使界面 处杂质分布变缓，造成器件特性偏离，可靠性 降低，因而必须减少它
外延生长时衬底受热，杂质由衬底内部扩散到表面， 再由表面蒸发到气相中，它们的一部分在停滞层内 贮存，并沿气流方向扩散，然后在外延生长时又重 新掺入外延层中。外延生长开始后，衬底正面的蒸 发受到抑制，自掺杂主要来自衬底背面杂质的蒸发。
外延最初阶段，表面蒸发控制，V=NsubK
经过一段时间后，固态扩散控制，V∝D k很小时， V=NsubK 与时间无关
5. 6. 7.
5-3-4 外延层的夹层
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外延层的夹层指的是外延层和衬底界面
附近出现的高阻层或反型层。
外延夹层产生的原因有两种：
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一种认为P型杂质沾污，造成N型外延层被高度补偿
解决办法：P型杂质主要来源于SiCL4，只要提 高SiCL4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解 决。 第二种情况是由于衬底引起的 当衬底中硼的含量大于31016cm－3时，外延层中就 容易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快， 结果使得硼扩散到外延层中补偿了N型杂质，形成 了一个高阻层或反型层。 解决办法：一是提高重掺杂单晶质量；二是在 工艺中防止引入P型杂质，降低单晶中B的量；三是 在外延生长时可以先长一层N型低阻层作为过渡层， 控制夹层,但这不是根本办法。